DYNAMIC ANALYSIS OF SPINNING DEPLOYMENT OF A SOLAR SAIL COMPOSED OF VISCOELASTIC MEMBRANES

近年来, 可用于航天器推进的太阳帆自旋展开技术引起人们广泛关注. 这类太阳帆可视为由中心旋转毂轮、若干柔性绳索、太阳帆薄膜和集中质量等组成的刚柔耦合多体系统.为了对系统中的太阳帆薄膜进行建模, 提出了基于绝对节点坐标方法描述的黏弹性薄板单元, 并对其有效性进行了验证.针对简化的"IKAROS"自旋展开太阳帆系统, 采用结合自然坐标方法与绝对节点坐标方法的绝对坐标方法对其进行建模, 采用广义-α方法对大规模系统动力学方程进行求解.研究了黏弹性太阳帆薄膜自旋展开过程的动力学特性, 讨论了薄膜的黏弹性阻尼对自旋展开过程的影响规律.     

柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展

阐述了多体系统动力学理论的研究背景,指出了多种传统的柔性多体系统动力学研究方法的不足.系统地从4个方面回顾了柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法诞生十几年以来的研究进展,即:单元研究进展、系统动力学方程求解数值算法研究进展、非线性材料多体系统动力学研究进展以及相关的应用研究进展.最后提出了值得进一步研究的问题.      

基于绝对节点坐标的多柔体系统动力学高效计算方法

绝对节点坐标法已经被广泛应用于柔性多体系统的动力学研究之中, 但是其计算效率问题尚未得到很好的解决. 基于绝对节点坐标方法计算弹性力及其对广义坐标的偏导数矩阵(Jacobi矩阵), 通常是基于第二类Piola-Kirchhoff应力张量来完成, 计算效率不高.根据虚功原理并采用第一类Piola-Kirchhoff应力张量的方法直接推导得到了弹性力及其Jacobi矩阵的解析表达式. 基于不同方法所得的数值算例结果对比研究表明, 该方法可使计算效率大大提高.      

考虑弹簧阻尼作动器解析雅可比矩阵的多刚体动力学分析

弹簧-阻尼-作动器(spring-damper-actuator,SDA)是多体系统中常见的力元,在工程领域中有着广泛的应用.采用绝对坐标方法建立的多体系统动力学控制方程通常是复杂的非线性微分-代数方程组.为了保证数值解的精度和稳定性,通常需要采用隐式算法求解动力学方程,而雅可比矩阵的计算在隐式数值求解过程中至关重要.对于含有SDA的多体系统,SDA造成的附加雅可比矩阵是与广义坐标和广义速度相关的高度非线性函数.目前的很多研究工作专注于广义力向量的计算,然而对附加雅克比矩阵的计算则少有关注.针对含SDA的多刚体系统进行动力学分析,首先基于Newmark算法研究其在动力学方程求解中的雅可比矩阵的构成形式;然后推导SDA的广义力向量对应的附加雅可比矩阵,其中包括广义力向量对广义坐标和对广义速度的偏导数矩阵.最后通过两个数值算例研究附加雅可比矩阵对动力学分析收敛性的影响;数值分析表明:当SDA的刚度、阻尼和作动力数值较大时,SDA导致的附加雅可比矩阵对数值解的收敛性有重要影响;当考虑SDA对应的附加雅可比矩阵时,动力学分析可以以较少的迭代步实现收敛,从而减少分析时间.     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(Ⅱ)DAEs求解算法对比

研究求解微分-代数方程组(DAEs)的高效率、高精度和高稳定性数值积分方法一直是多体系统动力学领域的热点问题之一。本文将求解结构动力学方程的Bathe数值积分策略应用于DAEs的求解,并基于SiPESC平台开发了开放式多体系统动力学仿真算法软件,综合比较研究了Newmark法、HHT-I3法、Generalizedα方法、Bathe方法和祖冲之类Symplectic方法。通过复摆、刚-柔耦合双摆和对称陀螺三个数值算例研究了算法参数与数值阻尼的关系。数值实验表明,Newmark方法在特定参数下引入的数值阻尼通常不可控,HHT-I3方法、Generalizedα方法和Bathe方法通过选择特定步长和参数可引入可控的数值阻尼,祖冲之类Symplectic方法无数值阻尼。在求解真实高频和低频耦合问题以及高速旋转的陀螺问题时,采用祖冲之类Symplectic方法或者无耗散的Newmar方法能够对系统的高频成分进行准确模拟。     

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法, 绝对节点坐标法(absolute nodal coordinateformulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标, 具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点, 然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源. 据此, 在弹性力求解方法中,引入弹性线方法(elastic line method, ELM),该方法将格林--拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变, 转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程, 通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法(continuum mechanics method,CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点, 并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.      

一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法研究

相比于传统的浮动坐标法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation,ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,但是对于ANCF的求解目前主要依据拉格朗日方程等分析力学原理建立微分代数方程(differential algebraic equation,DAE)进行,其算法复杂度为O(n2)或O(n3)(n为系统自由度),且求解过程存在位置或速度的违约问题.据此,研究了一种O(n)算法复杂度的递推绝对节点坐标法(recursive absolute nodal coordinate formulation,RANCF).该方法采用ANCF描述大变形柔性体,借鉴铰接体递推算法(articulatedbody algorithm,ABA)思路建立多柔体系统逐单元的运动学和动力学递推关系,得到微分形式的系统动力学方程(ordinary differential equation,ODE).在ODE方程中,系统广义质量阵为三对角块矩阵,通过恰当的矩阵处理,可以得到逐单元求解该方程的递推算法.在此基础上,给出了RANCF算法的详细流程,并对流程中每个步骤进行了细致的算法效率分析,证明了RANCF是算法复杂度为O(n)的高效算法.RANCF方法保留了ANCF对大转动、大变形多柔体系统精确计算的优点,同时极大地提升了算法效率,特别在处理高自由度复杂多柔体系统中具有显著优势.并且该方法采用ODE求解,无DAE的违约问题,因此具有更高的算法精度.最后,在算例部分,通过MSC.ADAMS仿真软件、能量守恒测试、算法复杂度曲线对RANCF的正确性、计算精度和计算效率进行了验证.     

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法,绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势, ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标,具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点,然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源.据此,在弹性力求解方法中,引入弹性线方法 (elastic line method, ELM),该方法将格林–拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变,转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程,通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法 (continuum mechanics method, CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点,并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.     

热-动力学耦合多体系统建模与降阶

在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题, 严重时会导致航天器失效. 本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法. 采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值, 避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题, 并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体. 在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射. 针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点, 利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化, 在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵, 避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算, 并使得基于模态的降阶手段得以应用. 利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度. 相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性. 通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性. 结果表明, 本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模, 提高了仿真计算效率.      

弹性杆-刚性体系统动力学分析的广义逆矩阵方法

将多刚体系统的广义逆矩阵方法推广到含弹性杆与刚性体的混合系统的动力学分析中,建立了以节点坐标表示的基于全局惯性坐标系的刚体-柔性体混合系统动力学方程.首先以两端节点坐标为变量推导了弹性杆的动力学方程,以刚性体节点坐标为变量推导了刚性体节点速度约束方程和刚性体动力学方程,最后得到弹性杆与刚性体混合系统的动力学方程和速度约束方程.本方法在同一个惯性坐标系对刚柔多体系统进行描述,具有方法简洁、便于计算建模的特点.论文最后给出两个数值算例,检验了方法的有效性.     

Stability analysis of pipes conveying fluid with fractional viscoelastic model

Divergence and flutter instabilities of pipes conveying fluid with fractional viscoelastic model has been investigated in the present work. Attention is concentrated on the boundaries of the stability. Based on the Euler–Bernoulli beam theory for structural dynamics, viscoelastic fractional model for damping and, plug flow model for fluid flow, equation of motion has been derived. The effects of gravity, and distributed follower forces are also considered. By transferring the equation of motion to the Laplace domain and using the Galerkin method, the characteristic equations are obtained. By solving the eigenvalue problem, frequencies and dampings of the system have been obtained versus flow velocity. Some numerical test cases have been studied with viscoelastic fractional model and the effect of the fractional derivative order and the retardation time is investigated for various boundary conditions.

     

分数阶导数粘弹性模型的有限元法

在分析分数阶导数三元件模型理论的基础上,把分数阶导数三元件模型引入有限元模型中,推导出具有分数阶导数三元件本构关系的粘弹性结构动力学有限元格式。同时,应用分数阶导数型粘弹性结构动力学方程的数值算法求解了该有限元格式的数值解。并以二维沥青路面结构为例进行了路面动态粘弹性响应分析。算例分析表明,该方法能够正确有效地进行路面动态粘弹性分析。     

Dynamical analysis of Mathieu equation with two kinds of van der Pol fractional-order terms

In this paper the dynamics of Mathieu equation with two kinds of van der Pol (VDP) fractional-order terms is investigated. The approximately analytical solution is obtained by the averaging method. The steady-state solution, existence conditions and stability condition for the steady-state solution are presented, and it is found that the two kinds of VDP fractional coefficients and fractional orders remarkably affect the steady-state solution, which is characterized by the additional damping coefficient (ADC) and additional stiffness coefficient (ASC). The comparisons between the analytical and numerical solutions verify the correctness and satisfactory precision of the approximately analytical solution. The presented typical amplitude–frequency curves illustrate the important effects of two kinds of VDP fractional-order terms on system dynamics. The application of two VDP fractional-order terms in vibration control is discussed. At last, the detailed results are summarized and the conclusions are made.     

Dynamic behavior of fractional order Duffing chaotic system and its synchronization via singly active control

With the increasingly deep studies in physics and technology,the dynamics of fractional order nonlinear systems and the synchronization of fractional order chaotic systems have become the focus in scientific research.In this paper,the dynamic behavior including the chaotic properties of fractional order Duffing systems is extensively investigated.With the stability criterion of linear fractional systems,the synchronization of a fractional non-autonomous system is obtained.Specifically,an effective singly active control is proposed and used to synchronize a fractional order Duffing system.The numerical results demonstrate the effectiveness of the proposed methods.     

三维液体非线性晃动及其复杂现象

主要讨论三维液体非线性晃动问题 。将ALE（任意的拉格朗日-欧拉）运动学描述引人到Navier-Stokes方程的分步有限元计算格式中;在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式,利用Galerkin加权余量方法得到了系统的有限元离散方程;推导了考虑表面张力效应时有限元边界条件的弱积分形式;模拟了三维液体的非线性晃动问题,得到了一系列三维液体非线性晃动的复杂现象.进一步模拟了考虑表面张力效应以及在微重力环境下三维液体的非线性晃动,揭示了考虑表面张力效应以及在微重力环境下液体非线性晃动的重要特征.井将所得结论与现有的实验结果进行了比较.从而证实了该方法的有效性与正确性.     

燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务,通常需要携带大量的液体燃料.贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度,是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题.本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法,采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散,采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散,结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面.提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差.基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法,对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真.对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解.通过将数值仿真结果与解析解对比,证明了本文给出方法的正确性.本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚-液-柔耦合运动进行了数值仿真,发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.     

The dynamical nature of a backlash system with and without fluid friction

We study the dynamics of a simple system with backlash and impacts. Both the presence or the absence of fluid friction is considered. The fluid friction is modeled by a fractional derivative, but it is also shown how an inhomogeneous time scale, although not arising from a fractional differential equation, may lead to some features similar to fractional solutions.     

俯仰激励下三维液体大幅晃动问题研究

主要研究俯仰激励下三维液体大幅晃动问题，将任意Lagrange-Euler法 (arbitrary Lagrange-Euler, ALE)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中，推导了俯仰激励下液体大幅晃 动数值模拟计算公式，并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程和分步有限 元计算格式，采用ALE分步有限元方法对圆筒形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计 算. 得到了波高、晃动力及晃动力矩等晃动特性的时间变化历程，并对结果进行了分析，揭 示了俯仰激励下三维液体大幅晃动问题的非线性现象.     

Stable fractional Chebyshev differentiation matrix for the numerical solution of multi-order fractional differential equations

This paper presents an algorithm to obtain numerically stable differentiation matrices for approximating the left- and right-sided Caputo-fractional derivatives. The proposed differentiation matrices named fractional Chebyshev differentiation matrices are obtained using stable recurrence relations at the Chebyshev–Gauss–Lobatto points. These stable recurrence relations overcome previous limitations of the conventional methods such as the size of fractional differentiation matrices due to the exponential growth of round-off errors. Fractional Chebyshev collocation method as a framework for solving fractional differential equations with multi-order Caputo derivatives is also presented. The numerical stability of spectral methods for linear fractional-order differential equations (FDEs) is studied by using the proposed framework. Furthermore, the proposed fractional Chebyshev differentiation matrices obtain the fractional-order derivative of a function with spectral convergence. Therefore, they can be used in various spectral collocation methods to solve a system of linear or nonlinear multi-ordered FDEs. To illustrate the true advantages of the proposed fractional Chebyshev differentiation matrices, the numerical solutions of a linear FDE with a highly oscillatory solution, a stiff nonlinear FDE, and a fractional chaotic system are given. In the first, second, and forth examples, a comparison is made with the solution obtained by the proposed method and the one obtained by the Adams–Bashforth–Moulton method. It is shown the proposed fractional differentiation matrices are highly efficient in solving all the aforementioned examples.     

非线性粘弹性Timoshenko梁动力学行为的分布

本文讨论了有限变形粘弹性Timoshenko梁的动力学行为。首先由Timoshenko梁的理论和分数导数型本构关系给出了梁的控制方程。其次为了便于求解,采用Galerkin方法对系统进行了简化,并比较了1阶和2阶截断系统的动力学性质,它们具有相同的定性性质,说明Galerkin方法的合理性。给出了求解包含分数积分的积分－微分方程的一种新方法,以便求解系统的长时间的解。综合利用非线性动力系统中的经典方法,揭示了梁在有限变形情况下丰富的动力学行为,并分别考察了载荷参数的材料参数对结构的动力学行为的影响。